機械常用材料分享：鑄鐵

鑄鐵跟鐵、鋼的差別主要在於碳含量，
鑄鐵 > 2%，
鋼  < 2%，> 0.2%，
鐵 < 0.2%。

鑄鐵在鐵金屬應用上算是相當久遠的，

在西元紀年以前就出現過許多鐵製品，

除了少數以隕鐵為材料以外，
很多鐵製品都是以鑄鐵為基礎所製造的，
而且廣泛出現在舊大陸的非、歐、亞洲幾個文明中；
為什麼鑄鐵比鐵、鋼更早開始應用？
我猜原因應該是早期缺乏降低鐵水中碳含量的技術。

到了工業時代，冶金技術越來越好，
除了鑄鐵、鋼以外，
也加入更多其他非鐵金屬被應用在機械設備上，
有趣的是不同產業使用的金屬類型差異還蠻大的，

像客製化電子設備鋁合金用很多，

食藥工業用設備以不鏽鋼跟耐酸鹼工程塑膠為主，
傳統產業設備經常看到以“黑鐵”、鋼管、鋼板為主，
以上這些產業設備鑄鐵零件並不常見；
在工具機產業，不論車、銑、磨、刨、鑽，
基本構件都是以鑄鐵為主；
所以不同產業的工程師對不同材料的孰悉程度也差很多，其實是很正常的，
每每看到老師傅怪新進工程師或其他產業轉職的工程師不懂材料其實是很大的誤會。

在不同產業設備慣用不同的材料幾乎是一種常態，
不論是從成本或功能性考量皆然。

鑄鐵相對型材、板材、塊材有兩大優點：

1. 複雜形狀元件的加工製造程序比較簡單跟快。
2. 鑄鐵的材料阻尼較高，吸振能力較強。

這兩個特性對製造標準機台的工具機廠商非常重要，
工具機一個機型要開發好幾年，
壽命週期更長達 20、30年以上，
賣得好一年就是上百、上千台，
如果主要零件都要從塊材、型鋼銲接、組裝開始，製造的效率太低了，
以模具跟相對便宜的原材料來說，
鑄鐵在形狀複雜的大量製造金屬元件相對很有優勢。

第二個問題是材料性質，
除了前面提到的阻尼吸振特性以外，
對高精密加工能力工具機來說，
另外一個問題是材料的時效性。

銲接加工的銲材與材料局部溫度變動，
設備製作環境跟使用環境的溫度差異；
這些材料性質在溫度、時效上的變化都會影響到高精密設備的精密度。

這種情況下鑄鐵、花崗岩就有優勢。

其他優點包括：
密度稍微低一點 7.4(比鋼7.8略低)，
相同體積下的自重輕一點點。
熱膨脹係數比較小 9，鋼13、鐵12、不鏽鋼14～16、鋁23左右，單位是ppm-℃。

工業上常用的鑄鐵主要有兩種：
灰口鑄鐵 (Gray Cast Iron) 跟球墨鑄鐵 (Ductile Cast Iron)。

灰口鑄鐵的鐵型態主要是以波來鐵 (Pearlite) 為主，
碳以薄片狀的石墨存在，
大量的石墨薄片破壞了波萊鐵連續性，
造成灰口鑄鐵的強度不佳；
但是因為在薄片介面上的滑動磨擦現象，
使灰口鑄鐵有很好的材料阻尼特性，
在結構吸振上比一般的鋼跟球墨鑄鐵來得好。

球墨鑄鐵中鐵的型態以波萊鐵加肥粒鐵 (Ferrite) 為主，碳以小顆粒存在，對鐵組織的連續性影響較小，強度表現上相對灰口鑄鐵就好很多。

在車、銑、磨、鑽等設備上，
如果講究的是精密度，
灰口鑄鐵的吸振效果就很有優勢，
有機會可以吸收掉多刃切削造成的振動，
至於強度上的不足以功能設計的角度來看其實不是問題，
因為在強度表現上，相關設備通常更重視的是剛性強度而不是破壞強度，
在要求小變形的情況下，通常材料的應力離破壞強度通常還很遙遠，
所以灰口鑄鐵的抗拉強度其實不會成為問題。

至於像剪、沖、鍛、壓、刨等設備因為結構會承受很大的負載，
在結構應力上相對來得大，
因此在結構元件材料的選擇上就會以球墨鑄鐵為優先考量。

交通工具的鐵件除了鈑金、型鋼以外，
用最多的應該是鑄鐵件，
面對長期使用與負載要求，
用球墨鑄鐵應該會比灰口鑄鐵合適。

台灣常用的灰口鑄鐵有FC150、FC200、FC250、FC300、FC350，
球墨鑄鐵有FCD400、FCD450、FCD500、FCD600、FCD700，
後面的數字代表保證最小抗拉強度，
兩者的很明顯的在強度表現上，
球墨鑄鐵比灰口鑄鐵好很多。

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